Eiserner Widerstand im Untergrund

Bei Phosphatmangel bremst Eisen das Tiefenwachstum von Wurzeln

18.05.2015 | von Redaktion Pflanzenforschung.de

Wenn Wurzeln bei Phosphatmangel auf Eisen treffen, stellen sie ihr Tiefenwachstum ein und wachsen stattdessen in die Breite. (Bildquelle: © iStock.com/ Lafotoguy)
Wenn Wurzeln bei Phosphatmangel auf Eisen treffen, stellen sie ihr Tiefenwachstum ein und wachsen stattdessen in die Breite. (Bildquelle: © iStock.com/ Lafotoguy)

Forscher des Leibniz-Instituts für Pflanzenbiochemie finden heraus, was sich bei Phosphatmangel in den Wurzeln abspielt. Ihr Ziel ist es, mit diesem Wissen Pflanzensorten zu entwickeln, die Phosphat besser aufnehmen, aber auch effizienter nutzen. Die Einsatzmengen phosphathaltiger Dünger könnten so verringert und die Umweltbelastung reduziert werden. Zudem ist Phosphat eine begrenzte Ressource. Der sparsame Umgang ist somit überlebenswichtig.

Jährlich werden weltweit über 40 Millionen Tonnen Phosphat als Mineraldünger eingesetzt, in Deutschland kommen 300.000 Tonnen auf Äcker und Blumenbeete. Damit ist Phosphor nach Stickstoff der mengenmäßig wichtigste Nährstoff für Pflanzen und steht wertmäßig – vor Silber und Diamanten – auf Platz sechs der weltweit geförderten Metalle und Mineralien. Nur wie lange noch? Experten sehen das Fördermaximum in wenigen Jahrzehnten erreicht, weshalb es höchste Zeit ist nach praktikablen Lösungen zu suchen, die es erlauben effizienter mit der Ressource Phosphor hauszuhalten.

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Mit ihrer Studie schafften es die Forscher auf das Cover der Aprilausgabe 2015 des renomierten Fachmagazins

Mit ihrer Studie schafften es die Forscher auf das Cover der Aprilausgabe 2015 des renomierten Fachmagazins "Developmental Cell".

Bildquelle: Developmental Cell

Pflanzen verändern bei Phosphatmangel das Wurzelwachstum

Forscher des Leibniz-Instituts für Pflanzenbiochemie in Halle (IPB) sind dabei einen großen Schritt weitergekommen. Sie fanden heraus, warum Pflanzen das Tiefenwachstum bei Phosphatmangel einstellen. Die Arbeit der Forscher wird dazu beitragen können, neue Sorten zu entwickeln, die Phosphate im Boden effizienter erschließen. Hintergrund ist, dass Phosphate vor allem in oberen Erdschichten zu finden sind. Im Oberboden, auch Mutterboden genannt. Die oberste, 30 cm tiefe und fruchtbarste Bodenschicht, die Ackerkrume, ist reich an Nährstoffen und organischen Substanzen (Humus). Sie zeichnet sich durch ein reges Leben von Bodenorganismen, Bakterien und Kleinstlebewesen aus. Statt also unter hohem Energieaufwand in tieferen Erdschichten nach Phosphaten zu suchen, ließe sich die Suche auf die oberen Erdschichten konzentrieren. Dies würde dazu führen, dass weniger Phosphat eingesetzt werden müsste, wodurch sich letztendlich auch die Umweltbelastung durch Überdüngung verringern ließe.

Phosphat: Unverzichtbar und unersetzbar

Phosphat zählt neben Kali (K) und Stickstoff (N) zu den unverzichtbaren und unersetzbaren Hauptnährstoffen in der Landwirtschaft. Diese sind durch keine anderen Stoffe ersetzbar. Schließlich können Pflanzen ohne Phosphor (P) nicht wachsen. Das Element ist Bestandteil jeder Zelle, sorgt für die Stabilität der DNA und nimmt eine zentrale Rolle im Stoffwechsel von Pflanzen ein. Im Gegensatz zum Stickstoff können Phosphor und Kali nicht bzw. noch nicht synthetisch hergestellt werden.

Pflanzen finden Phosphat im Mutterboden

Wie bereits erwähnt, beabsichtigten die Forscher, herauszufinden, warum Pflanzen bei Phosphatmangel im Boden aufhören, in die Tiefe zu wachsen. Ihre Frage lautete daher: Handelt es sich dabei um einen Anpassungsmechanismus seitens der Pflanze oder wird das Tiefenwachstum von externer Faktoren gebremst?

Bei Phosphatmangel wachsen Pflanzen horizontal

Dass Pflanzen bei Phosphatmangel horizontal, also in die Breite wachsen, war bereits bekannt und bei verschiedenen Pflanzen wie Tomaten oder Lupinen beobachtet worden. Denn obwohl der Gesamtvorrat an Phosphat im Boden im Allgemeinen recht hoch ist, steht nur ein Bruchteil davon den Pflanzen direkt zur Verfügung: die wasserlösliche Form, das Orthophosphat  (H2PO4 und HPO4-). Mit Hilfe von organischen Säuren, die über die Wurzeln ins Erdreich abgegeben werden, können Pflanzen zusätzlich vorhandenes Phosphat, welches in Eisen-, Aluminium-, Kalium oder Natriumverbindungen, in organischen Verbindungen oder in Tonmineralen gebunden ist, herauslösen und aufnehmen. Geologen nennen diesen biochemischen Verwitterungsprozess Chelation. Gelingt dies, gewinnt das Wurzelwachstum wieder an Fahrt. Aus diesem Grund war auch lange Zeit unklar, warum das Tiefenwachstum trotz dieser erfolgversprechenden Strategie eingestellt wird.

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Dünger, die Stickstoff (N), Phosphat (P) und Kalium (K) enthalten, werden Volldünger oder auch NPK-Dünger genannt. Sie enthalten die wichtigsten Nährstoffe für Pflanzen. Der mineralische Dünger auf dem Bild besteht zu gleichen Teilen aus jeweils 8 Prozent der drei Nährstoffe.

Dünger, die Stickstoff (N), Phosphat (P) und Kalium (K) enthalten, werden Volldünger oder auch NPK-Dünger genannt. Sie enthalten die wichtigsten Nährstoffe für Pflanzen. Der mineralische Dünger auf dem Bild besteht zu gleichen Teilen aus jeweils 8 Prozent der drei Nährstoffe.

Bildquelle: © Dr. Eugen Lehle/ Wikimedia.org/ CC BY-SA 3.0

Eisen stoppt Tiefenwachstum

Die Antwort der Forscher: Es liegt nicht am fehlenden Phosphat, welches das Tiefenwachstum stoppt, sondern an Eisen (Fe), das in den tieferen Erdschichten häufiger zu finden ist. Ursächlich für die verstärkte Eisenaufnahme ist, dass im Zuge der Chelation nicht nur Phosphate ausgewaschen und aufgenommen werden, sondern auch Eisen. Dieses wird mit zunehmender Tiefe verstärkt über die Wurzelspitzen aufgenommen, wo es sich in der Stammzellnische anreichert. Wie der Name vermuten lässt, handelt es sich bei dem aus wenigen Zellen bestehenden Areal um das Bildungsgewebe der Stammzellen. Durch Teilung entstehen dort Tochterzellen, welche entweder wieder zu Stammzellen werden oder sich zu spezialisierten Zellen weiterentwickeln bzw. differenzieren.

Die Stammzellproduktion in der Wurzel kommt zum Erliegen

Genau dort entfaltet das Eisen seine Wirkung. Forscher wiesen vor Jahren nach, dass die für die Differenzierung in der Wurzel-Stammzellnische notwendigen Informationen nicht in den teilungsfreudigen Stammzellen selbst stecken, sondern durch Signale und Stoffe aus den umliegenden Bereichen stammen. Im Experiment mit Arabidopsis Pflanzen (Arabidopsis thaliana) bremste das Eisen nun genau diesen Transportfluss, weil sich in Folge der Eisenanreicherung die Zellwände verdickten und die Transportkanäle, die Plasmodesmen, verengten. Hinzukam, dass die 30 – 50 Nanometer breiten Transportkanäle zusätzlich durch Callose, ein Mehrfachzucker, abgedichtet wurden, wodurch jegliche Stoffe und Informationen am Durchkommen zusätzlich gehindert wurden. Die Eisenanreicherung führte also in Kombination mit der erhöhten Callose-Produktion dazu, dass die Produktion von Stammzellen und Tochterzellen aufgrund fehlender Nähr- und Signalstoffe massiv gedrosselt wurde und sich infolgedessen keine neuen Wurzelzellen mehr bildeten. Das Tiefenwachstum kam zum Erliegen.

LPR1-Gen fördert die Aufnahme und Anreicherung von Eisen

Die Forscher beobachteten, dass dieser Prozess nach ungefähr 20 Stunden akuten Phosphatmangels einsetzte. Im selben Zeitraum erhöhte sich die Aktivität mehrerer Gene im betroffenen Areal, von denen die Forscher aus Halle einem eine maßgebliche Rolle zuschreiben: LPR1. Es enthält die genetischen Informationen zur Herstellung eines Enzyms, eine Oxidase, welches die Aufnahme des Eisens aus dem Boden und die Anreicherung im Gewebe ermöglicht. Die Forscher sehen darin eine plausible Erklärung und die Möglichkeit, eine Brücke zur erhöhten Callose Produktion zu schlagen: Durch die Oxidation des Eisens werden freie Sauerstoffradikale freigesetzt, welche durch die Callose in den betroffenen Bereichen „eingemauert“ oder „verkapselt“ werden. Dabei handelt es sich um einen bekannten natürlichen Schutzmechanismus gegen oxidativen Stress, um ein Ausbreiten und Übergreifen der schädlichen Radikale zu verhindern.

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Im nördlichen Küstenbereich, östlich der Wolgamündung, ist die Algenblüte als Folge einer überhöhten Düngerzufuhr deutlich zu sehen.

Im nördlichen Küstenbereich, östlich der Wolgamündung, ist die Algenblüte als Folge einer überhöhten Düngerzufuhr deutlich zu sehen.

Bildquelle: © Jeff Schmaltz/ Wikimedia.org/ CC0

Zwei Phosphor-Krisen

Durch das bessere Verständnis über die Anpassungsstrategien von Pflanzen bei Phosphatmangel, besteht nun die Möglichkeit, neue Sorten zu entwickeln, deren Aufnahmefähigkeit von Phosphat verbessert ist. Dies würde bedeuten, dass weniger phosphathaltige Düngemittel eingesetzt werden müssen. Denn so riskant der Mangel an Phosphat für die Pflanze ist, so gefährlich ist der übermäßige Einsatz für die Natur. „Neben der Verknappung des Rohstoffs Phosphor aus Lagerstätten gibt es auch noch eine andere 'Phosphor-Krise': Durch nicht geschlossene Kreisläufe gelangt Phosphor in die Ökosysteme und führt in Gewässern zur Überdüngung. Dadurch kommt es dann unter anderem im Sommer zur sogenannten „Blaualgenblüte“ in der Ostsee“, erklärt Dr. Inga Krämer vom Leibniz-Institut für Ostseeforschung Warnemünde (IOW).

Die Phosphatnachfrage steigt und steigt

Insbesondere in den Schwellenländern nahm die Nachfrage nach phosphathaltigen Düngemitteln in den letzten Jahrzehnten zu. Treiber sind die steigende Lebensmittelnachfrage, der erhöhte Futtermittelbedarf und der wachsende Bedarf aus der Industrie. So ist die Nachfrage parallel zur Weltbergbauproduktion in den vergangenen 30 Jahren um rund 30 Prozent gestiegen. Bis zum Jahr 2017 wird die Nachfrage Experten zufolge um weitere 2,3 Prozent steigen.

Ein neuer Umgang mit Phosphor

Krämer fordert daher: „Wir brauchen einen neuen Umgang mit Phosphor. In den letzten Jahrzehnten wurde er sehr verschwenderisch eingesetzt. Hier ist die Forschung gefragt: Wie kann man effizienter und nachhaltiger mit Phosphor umgehen? Wie lassen sich Kreisläufe wieder schließen? Denn das ist ja die gute Nachricht: Phosphor lässt sich mehrfach verwenden, im Gegensatz etwa zum bereits genannten Erdöl. Einmal verwendeter Phosphor darf also nicht mehr „verloren“ gehen, sondern muss wieder aufbereitet und neu genutzt werden.“

Phosphor-Recyling lautet daher ein Stichwort. Möglichkeiten zur Rückgewinnung bieten Klärschlamm, Tierknochen, industrielle Prozesse oder aber auch Dränauslässe auf Landwirtschaftsflächen. Jedoch erübrigt dies nicht einen effizienteren Umgang mit dem wertvollen Rohstoff. Mit Blick auf die Nutzpflanzen haben die Forscher aus Halle mit ihrer Studie den ersten Schritt getan.

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